Chemistry Lab with kit KeyStone

223 

 

Lab 21: Reaction Rate 

Introduction 

Why is it easier to sweeten hot tea with granular sugar than  cold tea with sugar cubes? 

As you begin to stir sugar cubes into cold tea, the sugar particles sluggishly  separate  from  the  cube  while  following  the  flow  of  your  spinning  stirrer.   Eventually, after much stressful stirring, the little sugar crystals make their  way into solution. Then you notice that your friend has almost finished his  sweet  tea  and  has  already  returned  for  more.    You  complain  that  you’ve  been stirring forever just to dissolve the sugar in your cold tea.  Your friend  responds,  “I  only  had  to  stir  mine  for  a  few  seconds,  and  it  was  good  to  drink!”    Why  do  you  think  your  friend’s  sweet  tea  was  finished  so  much  faster?  Well, his sweet tea was made from hot water and granular sugar. 

A reaction rate is the time that it takes for the reactants to be changed into  products. The rate is given as the change of the concentration of a reactant  or product in a certain amount of time, and can be described using various  units. Reaction rates are affected by several factors which  include the fol‐ lowing: the nature of the reactants, surface area, concentration, tempera‐ ture, pressure, and the presence of a catalyst.  Whether a reaction rate will  increase or decrease depends on the rate that the molecules involved effec‐ tively collide to result in a reaction.   

Throughout this laboratory exercise, you will use calcium carbonate and cit‐ ric acid to discover how temperature, surface area, and concentration affect  reaction rates.  Calcium carbonate is the main compound found in marble.   Marble is often used to make statutes or as decorative rock chips in flower  beds.    Citric  acid  reacts  with  calcium  carbonate  to  form  calcium  chloride,  carbon  dioxide  gas,  and  water.    This  is  similar  to  how  acid  rain  degrades  marble statutes. 

In this laboratory exercise you will compare how two different surface areas  of calcium carbonate, a powder and a solid rock piece, react with different  concentrations of citric acid at various temperatures. The powder has a large overall surface area due to its many individual  parts. In contrast, the solid, a crystallized rock, has a much smaller surface area.  You will record how long it takes for each  reaction to complete, then calculate and compare the reaction rates.  

Figure 1: Calcium carbonate is abundant in  nature, and is the primary component of lime‐ stone and marble rock (top). Calcium carbon‐ ate is commonly found in antacids and cal‐ cium supplements.   

Concepts to explore: 

 Understand how temperature, surface area, and concentration  influ‐ ence the rate of a reaction 

 Relate reaction rates on a molecular level 

 

224 

Lab 21: Reaction Rate 

Pre‐lab Questions 

1.  Name five factors that can affect the rate of a reaction. 

3.  In the opening paragraph example, it took more time to make sweet tea with cold water and sugar cubes than  to sweeten hot tea with granular sugar.  Why? 

4.  What is the primary factor that determines whether a reaction rate increases or decreases? 

225 

 

Lab 21: Reaction Rate 

Experiment: Comparing Reaction Rates 

Procedure 

1.  Label four test tubes 1, 2, 4, and 5 (Reaction 3 takes place in the 50mL beaker, which is why you number the  test tubes this way).   

2.  Break off a piece of CaCO3 rock with a mass of approximately 0.2 grams. Record the actual mass in the Data  section.  Place the rock in test tube 1. 

3.  Weigh out three more pieces of approximately 0.2 grams of CaCO3 rock.  These should be as close as possi‐ ble to the mass of the first rock sample.  Place the pieces of rock into test tubes 2, 4 and 5.  Record each of  their masses Table 1.   

4.  Into a 50 mL beaker, weigh out approximately 0.2 grams of CaCO3 powder.  This should be as close as possi‐ ble to the amount of the previously weighed pieces of marble rock.  Record the mass in Table 1.   

Reaction # 1 

6.  Measure 10 mL of saturated citric acid solution into a 10 mL graduated cylinder.  Transfer the acid to test  tube 1 (with the CaCO3 rock), and place this test tube immediately in an ice bath.  Record the start time.  Check on this reaction frequently and record when the reaction no longer produces bubbles (gas).  Record all  values in Table 1, along with your observations.  

Reaction # 2 

6.  Measure 5 mL of saturated citric acid solution (60%) into a 10 mL graduated cylinder and dilute to 30% by  adding 5 mL distilled water.  Transfer the diluted acid to test tube 2, and place this test tube in the rack.  Re‐ cord the start time. Check on this reaction frequently and record the time when the reaction no longer pro‐ duces bubbles (gas).  Record all values in Table 1, along with your observations.  

Materials 

Safety Equipment: Safety goggles, gloves  Baking soda 

40 mL Saturated citric acid solution (60%)  pH Paper 

Calcium Carbonate rock (CaCO3)     Permanent marker 

Calcium Carbonate powder (CaCO3)    Scale 

10 mL graduated cylinder      Stopwatch 

4 test tubes          Stir rod 

50 mL beaker          Distilled water* 

250 mL beaker          Ice* 

Test tube holder        Boiling water bath* 

Test tube rack          *You must provide 

 

226 

Lab 21: Reaction Rate 

Reaction # 3 

6.  Measure 5 mL of saturated citric acid solution (60%) into a 10 mL graduated cylinder and dilute it to 30% by  adding 5 mL distilled water.   Transfer this diluted acid to the 50 mL beaker that contains CaCO3 powder.  Use  a stopwatch to time the reaction from when the acid is poured onto the powder and until the reaction no  longer produces bubbles (gas).  Record all values in Table 1, along with your observations.  

Reaction # 4 

6.  Measure 10 mL of saturated citric acid solution into a 10 mL graduated cylinder.  Transfer the acid to test  tube 4 and place this test tube in the rack.  Record the starting time. Check on the reaction frequently and  record the time when the reaction is no longer fizzing.  Record all values in Table 1, along with your observa‐ tions.  

Reaction # 5 

6.  Measure 10 mL of saturated citric acid solution into a 10 mL graduated cylinder.  Transfer the acid to test  tube 5, and place this test tube in the previously started hot water bath.   Record the starting time.  Check on  this reaction frequently and record the time when the reaction stops (no longer fizzing).  Record all values in 

Data 

Substance,  Reaction # 

Variable 

Mass of the  CaCO3 (g) 

(these should be  close) 

Time of the  reaction 

(sec)  (start/stop) 

% Citric  Acid 

CaCO3 Rock 

#1 

Saturated acid  solution, iced 

     

CaCO3 Rock 

#2 

Diluted acid  solution, room 

temp.       

CaCO3  

Powder 

#3 

Diluted acid  solution, room 

temp.       

CaCO3 Rock 

#4 

Saturated acid  solution, room 

temp.       

CaCO3 Rock 

#5 

Saturated acid  solution,  heated 

     

Observations 

 

 

 

 

 

Table 1: Reaction rate data and observations 

227 

 

Lab 21: Reaction Rate 

Calculations 

Calculate the rate (g/sec) of each of the reactions you observed. 

 Reaction 1 (rock, iced, saturated solution): 

 Reaction 2 (rock, room temperature, diluted solution): 

 Reaction 3 (powder, room temperature, diluted solution): 

 Reaction 4 (rock, room temperature, saturated solution): 

 Reaction 5 (rock, heated, saturated solution):  

 

228 

Post‐lab Questions 

1.  All the reactions that you performed were chemically the same.  You just varied several factors. What were the  factors that were varied? 

2.  Which factor do you think made the biggest influence on the reactions?  Why? 

3.  Out of the five different reactions, which reaction was the slowest?  Was this what you expected?  Why? 

4.  Why do you think marble statues require long periods of time to degrade in regions that are affected by acid rain? 

Lab 21: Reaction Rate